KR20110115234A - 수조 시험용 모형선의 흘수 계측장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수조 시험용 모형선의 흘수 계측장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하고 이를 바탕으로 선저면에서 수면까지 거리를 역산하여 수면이 모형선의 어디에 위치하는지를 신속하고 정밀하게 모니터링 할 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 모형선에 무게추를 얹혀놓는 시간을 절약하고, 시험오차를 줄일 수 있다.

Description

수조 시험용 모형선의 흘수 계측장치{Draft Measurement Device of Model Ship in Towing Tank}

본 발명은 수조 시험용 모형선의 흘수 계측장치에 관한 것이다.

1. 선박 유체역학 문제의 해결 방법

선박 유체역학 문제의 해결 방법으로는 수학적 모형을 이용하는 방법과 물리적 모형을 이용하는 방법이 있다. 수학적 모형을 이용하는 방법은 단순한 형상에 대한 컴퓨터 계산을 하는 것이고, 물리적 모형을 이용하는 방법은 모형선을 제작하여 실험을 하는 것이다.

모형선을 이용하는 것은 실제 크기의 선박을 실험하는 것보다 훨씬 경제적이며 수학적 모형으로는 해결할 수 없는 복잡한 현상까지도 해결할 수 있는 장점이 있다. 특히 선박의 저항추진 문제는 현상이 매우 복잡하므로 물리적 모형을 이용한 모형시험이 주를 이루게 된다. 다만, 모형선을 제작하여 실험을 하는 경우에는 모형시험의 결과를 해석하기 위한 적절한 이론이 반드시 필요하다.

선박의 모형시험을 최초로 제창한 사람은 William Froude이며, 수조관련 국제회의 기구로서는 International Towing Tank Conference(ITTC)가 있다. 여기에는 본 출원인인 한국해양연구원, 서울대, 부산대, 인하대, 울산대 등의 수조가 회원으로 가입되어 있다.

2. 예인수조

예인수조(Towing Tank)는 모형선을 수조에서 예인하면서 모형선에 작용하는 유체역학적인 힘을 측정하거나, 모형선 주위의 유동현상을 관찰 또는 계측할 수 있도록 설비된 실험장치이다. 예인수조에서는 모형선과 실선 사이에 기하학적 상사, 역학적 상사가 이루어지도록 실험이 이루어진다. 예인수조는 그 크기에 따라 소형(Small), 중형(Medium), 대형(Large)으로 구분된다.

(1) 소형 예인수조

약 20m의 길이를 갖는 예인수조로서, 짓는 비용이 저렴하여 주로 학교에서의 교육이나 연구용으로 사용되고 있다.

소형 예인수조에서는 대개 중력식 추의 무게에 의해 예인력을 알고 속도를 측정하게 되는데(도 3), 주로 정수 중 저항시험이나, 파도(규칙파) 중 저항, 운동, 속도손실 시험이 이루어진다. 예) 쌍동선 실험 : 선체간의 간격이 저항에 미치는 영향.

(2) 중형 예인수조

약 200m의 길이를 갖는 예인수조로서, 그 이상은 대형 예인수조로 분류된다.

중형 및 대형 예인수조에서는 예인전차를 이용하여 모형선을 예인하는 과정에 따라 실험이 이루어지는데(도 4), 예인전차의 이동레일의 길이가 길어서 지구 곡률을 고려하여 중형 예인수조의 경우는 예인수조의 한쪽 끝을 약 1mm 정도 높이고, 대형 예인수조의 경우는 예인수조의 한쪽 끝을 약 3.5mm 정도 높인다.

중형 및 대형 예인수조에서 사용되는 모형선의 길이는 5~10m 정도이며, 제어, 계측기구 및 장치는 대부분 전자 시스템으로 이루어진다. 예인전차의 속도범위는 통상 0~15m/s 정도인데, 전자 시스템에 의해 매우 정확하게 제어, 계측된다. 모형선에 가해지는 저항이나 힘은 동력계(Dynamometer)로 계측한다.

중형 및 대형 예인수조에서 이루어지는 실험의 종류로는 저항 시험, 자항 시험, 프로펠러 단독시험, 반류조사 시험, 운동성능 시험, 조종성능 시험 등이 있다.

3. 모형선

모형선은 실선과 기하학적 상사, 역학적 상사가 이루어지도록 소정의 축척비(Scale Ratio)에 따라 제작된 실험용 선박 모형을 말하는데, 통상 실선 대비 1/30 정도의 축척비로 제작된다.

모형선은 나무, Paraffin Wax, Fiberglass-Reinforced Plastic(FRP) 등으로 제작된다. 이 중 Paraffin Wax 모형선은 가공이 용이하고 녹여서 재사용할 수도 있다. Paraffin Wax 모형선은 저항, 자항 시험용으로는 최적이지만, 나무보다 약하기 때문에 운동 시험용으로는 부적당하다.

(1) 나무 모형선의 제작

나무판을 수선면(Waterline) 모양으로 가공하여, 적층, 방수 접착제로 부착한 후에 NC 가공한다(도 5).

(2) Paraffin Wax 모형선의 제작

Paraffin Wax 모형선의 제작 순서(예)는 다음과 같다.

① 20개 Station에서의 Template와 Bow, Stern Profile Template를 Mold 용으로 제작한다(도 6).

② 위와 동일한 Station에서의 Core Template를 제작한다.

③ 나무나 진흙으로 Mold를 완성한다.

④ Core도 나무판 혹은 방수천으로 둘러쌓는다.

⑤ Mold, Core를 조립한다.

⑥ Paraffin Wax를 녹여 Mold와 Core 틈으로 붓는다. 이때 Core에는 동시에 더운 물을 채운다.

⑦ Casting(주물)이 완전히 굳기 직전에 Core를 제거한다.

⑧ 모형선을 Mold로부터 들어내어 Cutting Machine에 설치한다.

⑨ 모형선의 윗면을 정렬하고, 밑면부터 가공한다. 이때 수선별로 약 10mm 간격으로 가공하며, 중앙 대칭면은 NC Milling Machine을 사용하여 좌우를 동시에 Cutting한다.

⑩ 최종적으로 모형선의 표면을 매끄럽게 문지르고 닦아낸다.

4. 종래의 모형선 흘수 계측의 문제

예인수조 모형시험을 위해서는 모형선에 무게추를 얹혀서 실선의 설계흘수에 대응하는 모형선의 흘수선에 수면이 일치하도록 해야 한다.

종래에는 모형선의 흘수선에 수면이 정확히 일치하는지를 확인하는 방법으로서, 예인수조 관측창을 통하여 수면 아래에서 모형선의 흘수선을 눈으로 확인하면서 무게추의 중량 및 위치를 분포시키는 방법을 사용하였다.

그러나 모형선의 흘수선은 선형의 변경, 프로펠러의 변경시에 반복적으로 세팅을 해야 하므로, 이러한 종래의 방법에 따르면 작업시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 작업자의 피로도가 증가할 수밖에 없다. 또한 모형선 제작시 흘수선을 그리는 오차, 흘수선에 수면을 위치시킬 때의 판독 오차 등은 성능평가에 영향을 미칠 수 있는데, 종래의 방법은 이러한 오차를 유발할 가능성이 크므로 문제가 된다. 따라서 보다 신속하고 정밀한 계측방법을 도출할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하고 이를 바탕으로 선저면에서 수면까지 거리를 역산하여 수면이 모형선의 어디에 위치하는지를 신속하고 정밀하게 모니터링 할 수 있도록 하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

모형선에 설치되는 계측모듈장착수단;

상기 계측모듈장착수단에 장착되며, 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하는 수면탐침센서;

상기 계측모듈장착수단에 장착되며, 상기 수면탐침센서의 계측 데이터를 수집하는 데이터수집기 및;

상기 데이터수집기에 의하여 수집된 계측 데이터로부터 모형선의 선저면에서 수면까지의 거리를 역산하여, 수면 및 흘수선과의 상대적인 거리를 최종 산출해 내는 계산수단;

을 포함하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치를 제시한다.

본 발명에 따르면, 수면이 모형선의 어디에 위치하는지를 신속하고 정밀하게 모니터링 할 수 있어, 모형선에 무게추를 얹혀놓는 시간을 절약하고, 시험오차를 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 전체적인 구성.
도 2는 본 발명에서 수면과 모형선의 흘수선 간의 상대적인 거리를 산출하는 개념.
도 3은 중력식 소형 예인수조.
도 4는 중형 예인수조의 예인전차.
도 5는 나무 모형선의 제작 모습.
도 6은 왁스 모형선의 제작 모습.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 전체적인 구성을, 도 2는 본 발명에서 수면과 모형선의 흘수선 간의 상대적인 거리를 산출하는 개념을 보여준다.

본 발명은 수조 시험용 모형선의 흘수 계측장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하고 이를 바탕으로 선저면에서 수면까지 거리를 역산하여 수면이 모형선의 어디에 위치하는지를 신속하고 정밀하게 모니터링 할 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 계측모듈장착수단(10), 수면탐침센서(20), 데이터수집기(30) 및 계산수단(40)을 포함하여 이루어지는바(도 1), 이하에서는 이들 구성요소 별로 상세하게 설명한다.

1. 계측모듈장착수단

계측모듈장착수단(10)은 모형선에 설치되며, 후술할 수면탐침센서(20), 데이터수집기(30) 및 증폭기(31)가 여기에 장착되어 작동할 수 있는 지지대 역할을 한다(도 1).

계측모듈장착수단(10)은 상자형, 판형 등 상황에 맞게 다양한 형태로 제작될 수 있다. 다만, 계측모듈장착수단(10)은 흘수 계측이 완료되면 모형선으로부터 제거할 수 있도록 탈부착식이라야 한다.

2. 수면탐침센서

수면탐침센서(20)는 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리(도 2의 a)를 계측한다.

여기서, 기준점이라 함은 수면탐침센서(20)가 모형선의 수면 상부에서 수면까지의 계측한 거리를 정의하기 위하여 기준으로 잡는 점을 말하는데, 이는 작업자가 임의로 설정할 수 있다. 참고로, 도 2에서는 모형선의 제일 상단을 기준점으로 잡았다.

수면탐침센서(20)는 전극을 수중으로 침투시킨 후 전기저항의 변화량을 측정하는 방식(용량식), 또는 전극을 수중으로 침투시킨 후 전류가 흐르는 것을 측정하는 방식(접촉식)으로 기준점에서 수면까지의 거리를 계측할 수 있다.

용량식의 경우에는 수면을 향하여 하강하던 수면탐침센서(20)의 전극이 최종적으로 수면에 닿는 순간에 수면탐침센서(20)에 걸리는 전기저항이 변하게 된다. 따라서 이 순간까지 이루어진 전극의 하강거리가 바로 기준점에서 수면까지의 거리가 되는 것이다.

그리고 접촉식의 경우에는 수면을 향하여 하강하던 수면탐침센서(20)의 전극이 최종적으로 수면에 닿는 순간에 수면탐침센서(20)에 전류가 흐르게 된다. 따라서 이 순간까지 이루어진 전극의 하강거리가 바로 기준점에서 수면까지의 거리가 되는 것이다.

수면탐침센서(20)는 힌지를 이용하여 계측모듈장착수단(10)에 장착하는 것이 바람직하다. 이 경우 수면탐침센서(20)는 모형선에 트림이 발생하는 경우에도 수면에 대하여 연직방향으로 향하므로, 기준점에서 수면까지의 거리를 정확하게 계측해 낼 수 있다.

3. 데이터수집기

데이터수집기(30)는 후술할 계산수단(40)이 사용할 수 있는 상태로 수면탐침센서(20)의 계측 데이터를 수집한다.

이 경우 데이터수집기(30)가 수면탐침센서(20)의 계측 데이터를 수집함에 있어서는, 기존의 Data Acquisition System(DAQ)에 적용되고 있는 데이터 수집 기술이 그대로 활용될 수 있다.

한편, 본 발명에서는 데이터수집기(30)의 작동에 오류가 발생하지 않도록, 수면탐침센서(20)의 전기적 신호를 증폭시켜 이를 데이터수집기(30)로 전달하는 증폭기(31)를 추가로 구비하는 것이 바람직하다.

증폭기(增幅器, 앰프, Amplifier)는 전자파의 진폭을 증대하여 강도를 강하게 하는 장치로, 일반적으로 진공관과 트랜지스터를 이용한다.

증폭기(31)는 수면탐침센서(20)의 전극이 수면에 닿았을 때 발생하는 전기저항 또는 전류의 변화를 증폭시켜 이를 데이터수집기(30)로 전달한다.

4. 계산수단

계산수단(40)은 일종의 컴퓨터 장치로서 내장된 프로그램의 알고리듬에 따라 작동하는 바, 데이터수집기(30)에 의하여 수집된 계측 데이터로부터 모형선의 선저면에서 수면까지의 거리를 역산하여, 수면 및 흘수선과의 상대적인 거리를 최종 산출해 낸다.

이처럼 계산수단(40)이 수면 및 흘수선과의 상대적인 거리를 최종 산출해 내는 개념은 도 2에 의하여 설명될 수 있다.

도 2에서, a는 기준점과 수면 간의 거리이며, b는 모형선의 선저면과 수면 간의 거리이며, c는 수면과 흘수선 간의 거리이며, D는 모형선의 선저면과 흘수선 간의 거리이며, L은 모형선의 선저면과 기준점 간의 거리이다.

여기서, a는 수면탐침센서(20)의 계측에 의하여 알 수 있는 값이며, D는 모형시험을 위하여 작업자가 실선의 설계흘수에 대응하도록 설정한 모형선의 흘수선 값이므로 이미 알고 있는 값이며, L은 모형선 자체의 수치이므로 이미 알고 있는 값이다.

이때, 계산수단(40)이 데이터수집기(30)에 의하여 수집된 계측 데이터(a)로부터 모형선의 선저면에서 수면까지의 거리(b)를 역산한다 함은, 바로 b = L - a 의 산술 관계를 이용하여 b의 값을 계산해 낸다는 뜻이다.

그리고 계산수단(40)이 수면 및 흘수선과의 상대적인 거리(c)를 최종 산출한다 함은, 위에서 계산한 b의 값과 c = D - b 의 산술 관계를 이용하여 c의 값을 계산해 낸다는 뜻이다.

작업자는 계산수단(40)에 의하여 최종 산출된 c의 값에 따라 모형선의 흘수선에 수면이 정확히 일치하는지 여부를 쉽게 확인할 수 있으며, 곧바로 필요한 조치를 취할 수 있게 된다.

즉, 만약 c의 값이 ‘0’이라면 이는 모형선의 흘수선에 수면이 정확히 일치한 상태를 의미하므로 작업자는 모형시험 준비를 완료한 셈이 된다. 그리고 c의 값이 ‘0’보다 크다면 이는 수면이 모형선의 흘수선보다 아래에 있는 상태를 의미하므로 작업자는 무게추를 얹혀 모형선이 더욱 잠기도록 하면 되며, c의 값이 ‘0’보다 작다면 이는 모형선의 흘수선이 수면보다 아래에 있는 상태를 의미하므로 작업자는 무게추를 덜어내어 모형선이 더욱 부상하도록 하면 되는 것이다.

5. 본 발명을 이용한 모형선의 흘수 계측방법

본 발명을 이용한 모형선의 흘수 계측방법은 다음의 과정에 따라 이루어질 수 있다.

[1] 수면탐침센서(20)가 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측한다.

[2] 데이터수집기(30)가 수면탐침센서(20)의 계측 데이터를 수집한다. 이 경우 사전에 증폭기(31)가 수면탐침센서(20)의 전기적 신호를 증폭시켜 데이터수집기(30)로 전달하도록 하는 것이 바람직하다.

[3] 계산수단(40)이 데이터수집기(30)에 의하여 수집된 계측 데이터로부터 모형선의 선저면에서 수면까지의 거리를 역산한다.

[4] 계산수단(40)이 수면 및 흘수선과의 상대적인 거리를 최종 산출한다.

이상의 과정에 따르면, 수면이 모형선의 어디에 위치하는지를 신속하고 정밀하게 모니터링 할 수 있으므로, 모형선에 무게추를 얹혀놓는 시간을 절약하고, 시험오차를 줄일 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 계측모듈장착수단
20 : 수면탐침센서
30 : 데이터수집기
31 : 증폭기
40 : 계산수단

Claims (10)

1. 모형선에 설치되는 계측모듈장착수단;
   상기 계측모듈장착수단에 장착되며, 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하는 수면탐침센서;
   상기 계측모듈장착수단에 장착되며, 상기 수면탐침센서의 계측 데이터를 수집하는 데이터수집기 및;
   상기 데이터수집기에 의하여 수집된 계측 데이터로부터 모형선의 선저면에서 수면까지의 거리를 역산하여, 수면 및 흘수선과의 상대적인 거리를 최종 산출해 내는 계산수단;
   을 포함하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 계측모듈장착수단은 탈부착식인 것을 특징으로 하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 수면탐침센서는 전극을 수중으로 침투시킨 후 전기저항의 변화량을 측정하는 방식으로 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하는 것을 특징으로 하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 수면탐침센서는 전극을 수중으로 침투시킨 후 전류가 흐르는 것을 측정하는 방식으로 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하는 것을 특징으로 하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 수면탐침센서는 힌지를 이용하여 상기 계측모듈장착수단에 장착되는 것을 특징으로 하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.
6. 모형선에 설치되는 계측모듈장착수단;
   상기 계측모듈장착수단에 장착되며, 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하는 수면탐침센서;
   상기 계측모듈장착수단에 장착되며, 상기 수면탐침센서의 전기적 신호를 증폭시켜 이를 데이터수집기로 전달하는 증폭기;
   상기 계측모듈장착수단에 장착되며, 상기 수면탐침센서의 계측 데이터를 수집하는 데이터수집기 및;
   상기 데이터수집기에 의하여 수집된 계측 데이터로부터 모형선의 선저면에서 수면까지의 거리를 역산하여, 수면 및 흘수선과의 상대적인 거리를 최종 산출해 내는 계산수단;
   을 포함하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 계측모듈장착수단은 탈부착식인 것을 특징으로 하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 수면탐침센서는 전극을 수중으로 침투시킨 후 전기저항의 변화량을 측정하는 방식으로 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하는 것을 특징으로 하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 수면탐침센서는 전극을 수중으로 침투시킨 후 전류가 흐르는 것을 측정하는 방식으로 모형선의 기준점에서 수면까지의 거리를 계측하는 것을 특징으로 하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.
10. 제 6 항에 있어서,
    상기 수면탐침센서는 힌지를 이용하여 상기 계측모듈장착수단에 장착되는 것을 특징으로 하는 수조 시험용 모형선박의 흘수 계측장치.

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